Учёные из Кембриджского университета создали первую 3D-модель генома живой клетки. Двойные спирали ДНК, несущие генетическую информацию, имеют в ядре в очень компактную и сложную структуру, понимание которой может помочь бороться со многими болезнями.
Как на самом деле выглядит ДНК: первая 3D-модель

Если вытянуть ДНК из всех хромосом одной человеческой клетки, получится нить длиной около 2 метров. Однако нити двойных спиралей уложены так компактно, что 23 пары хромосом помещаются в ядре, которое не разглядеть без микроскопа. От того, каким образом ДНК укладывается в эту компактную структуру, зависит активность отдельных генов, а значит — здоровье всего организма. Чтобы на основе информации, записанной в ДНК, синтезировались нужные организму белки, пространственный доступ к генам не должен быть затруднён. Поэтому в хромосоме нить ДНК, во‑первых, должна максимально компактно свернуться, а во-вторых оставить открытыми все участки, содержащие важные кодрующие последовательности.

Эти две подчас противоречащие друг другу задачи решаются за счёт некольких уровней пространственной организации ДНК: двойная спираль из нуклеотидов наматывается на особые белки-гистоны, играющие роль бобин, или катушек. Такие «катушки» из участков ДНК, намотанных на гистоны, называются нуклеосомами. Нуклеосомы складываются вплотную друг к другу, но не ровными стопками, а с небольшим разворотом, отчего вся конструкция напоминает спираль. Такие спирали называют фибриллами. В свою очередь, фибриллы укладываются в компактную бесформенную структуру, образуя хромосому, а хромосомы плотно прилегают друг к другу, чтобы поместиться в ядре клетки.

Используя технологии визуализации и результаты более сотни тысяч измерений, ученым из Кембриджа удалось создать первую в истории 3D-модель ДНК внутри ядра живой клетки (использовались стволовые клетки мышиных эмбрионов). Хрестоматийную Х-образную форму хромосомы принимают только тогда, когда клетка готовится к делению, а большую часть жизни ДНК проводит в форме вот такого неровного шарика (разными цветами на видео показаны отдельные хромосомы).

Во втором видео цветом показаны активные и неактивные участки ДНК: на голубых участках находятся гены, которые активно экспрессируются, а участки хромосом, окрашенные в жёлтый, взаимодействуют с внутренней стороной ядерной мембраны.

Ошибки укладки ДНК в ядре приводят к нарушению экспрессии генов; в частности, такие ошибки сопровождают процесс превращения здоровой клетки в раковую. Поэтому генетики стремятся понять, как организована сложная пространственная структура генома, и научиться исправлять ошибки.

Подробно методика визуализации и процесс создания 3D-модели описаны в статье, опубликованной в журнале Nature.